Фізика плазми

ФІ́ЗИКА ПЛА́ЗМИ

Плазма (П.) — це електро­провід­не середовище, в якому є при­близно однакова кількість позитивно та негативно заряджених частинок, що утворюються, коли атоми в газі стають іонізованими. На від­міну від твердого, рідкого та газоподібного станів її іноді називають четвертим станом речовини. Негативний заряд пере­важно несуть електрони, кожен з яких має одну одиницю негативного заряду. Позитивний заряд несуть атоми або молекули, у яких від­сутні ті самі електрони. У деяких випадках електрони, від­сутні в одному типі атома чи молекули, при­єд­нуються до іншого компонента, у результаті чого утворюється П., що містить як позитивні, так і негативні іони. Най­екс­тремальніший випадок від­бувається, коли малі, але макро­скопічні частинки пилу стають зарядженими в стані, який називають пиловою П. Унікальність стану П. пояснюється важливістю електричних і магнітних сил, що діють на П., на додаток до таких сил, як сила тяжі­н­ня, що впливає на всі форми матерії. Оскільки ці електромагнітні сили можуть діяти на великих від­станях, П. діятиме колективно, як рідина, навіть якщо частинки рідко стикаються одна з одною. Майже вся видима матерія у Всесвіті існує в стані П. Це Сонце, зірки, між­планетний та між­зоряний про­стір, полярне сяйво, блискавка, зварювальні дуги. Середовище у неонових і люмінесцентних трубках також є П. Сама Земля занурена в роз­ріджену П., яку називають сонячним вітром, і оточена щільною П., яку називають іоно­сферою. П. можна створити в лабораторії шляхом на­гріва­н­ня газу до над­звичайно високої температури, що спричиняє такі інтенсивні зі­ткне­н­ня між його атомами та молекулами, що електрони вириваються із електрон­ної оболонки атома, утворюючи необхідні електрони та іони. Подібний процес від­бувається всередині зірок. У космосі домінуючим процесом утворе­н­ня П. є фотоіонізація, під час якої фотони сонячного або зоряного світла по­глинаються наявним газом, спричиняючи ви­промінюва­н­ня електронів. Оскільки Сонце та зірки світять без­перервно, у таких випадках практично вся речовина стає іонізованою, а П. називають повністю іонізованою. Але П. може бути і лише частково іонізованою. Повністю іонізована воднева П., що складається виключно з електронів і протонів (ядер водню), є про­стою П. Сучасна концепція стану П. виникла на початку 1950-х рр. Значний вплив на роз­виток фізики П. як дисципліни мали такі галузі дослідже­н­ня: електричні роз­ряди, магніто­гідродинаміка (ви­вчає провід­ну рідину) та кінетична теорія. Основи уявлень про електричний роз­ряд заклали британські фізики М. Фарадей, Дж. Томсон і Дж. Таунсенд. 1923 американський хімік І. Ленгмюр, досліджуючи електричні роз­ряди, ввів термін «плазма». 1929 він і американський фізик Л. Тонкс викори­стали цей термін для по­значе­н­ня тих областей роз­ряду, в яких можуть від­буватися певні періодичні зміни густини негативно заряджених електронів. Це і є колива­н­ня електрон­ної під­системи П. Колективне поводже­н­ня заряджених частинок у магнітних полях і концепція провід­ної рідини є неявними в магніто­гідродинамічних дослідже­н­нях М. Фарадея і французького фізика А.-М. Ампера. 1942 шведський фізик Г. Альфвен за­пропонував концепцію магніто­гідродинамічних хвиль. Ці два окремі під­ходи — дослідже­н­ня електричних роз­рядів і ви­вче­н­ня поведінки рідин, що проводять струм у магнітних полях, були обʼ­єд­нані введе­н­ням кінетичної теорії стану П. Важливою властивістю П. є існува­н­ня плазмових коливань та хвиль. Час τ, необхідний для такого типу коливань, є найважливішим часовим параметром у П. Основним просторовим параметром є довжина Дебая h, що є від­стан­ню, яку проходить середній тепловий електрон за час τ/2π. За цими параметрами П. можна ви­значити як частково або повністю іонізований газ, який від­повід­ає на­ступним критеріям: 1) плазмовий електрон може здійснити багато плазмових коливань, перш ніж зіткнеться з іоном або однією з інших важких складових; 2) всередині кожної сфери з радіусом, рівним довжині Дебая, повин­но бути багато частинок; 3) роз­міри П. повин­ні бути набагато більшими за довжину Дебая. Іншим важливим часовим параметром є час між зі­ткне­н­нями частинок. Можуть мати місце два основних види зі­ткне­н­ня: пружне і непружне. При пружному зі­ткнен­ні сумарна кінетична енергія всіх частинок, що беруть участь у зі­ткнен­ні, однакова до і після події. При непружному зі­ткнен­ні частка кінетичної енергії пере­ходить у внутрішню енергію частинок, що стикаються. Для ви­вче­н­ня властивостей П. потрібно сформулювати методи опису плазмових явищ. Якщо зі­ткне­н­ня частинок від­буваються від­носно рідко, можна враховувати рухи окремих частинок. Магнітне поле діє на заряджену частинку лише тоді, коли частинка рухається, причому сила діє під прямим кутом як до напрямку поля, так і до напрямку руху частинки. В однорідному магнітному полі (В) заряджена частинка обертається навколо силової лінії. Центр орбіти називають направляючим центром. Частинка також може мати компонент швидкості, паралельний магнітному полю, і таким чином формує спіраль в однорідному магнітному полі. Якщо однорідне електричне поле (E) прикладено під прямим кутом до напрямку магнітного поля, напрямний центр дрейфує з рівномірною швидкістю, величина якої дорівнює від­ношен­ню електричного до магнітного поля (E/B), перпендикулярно як до електричного, так і до магнітного полів. Із збільше­н­ням густини П. зʼявляються внутрішні поля, що об­умовлені виникне­н­ням областей, де мають місце ущільне­н­ня або роз­рідже­н­ня зарядів. В цьому випадку П. можна описувати за допомогою рівнянь гідродинаміки. На більш високому рівні опису поведінки П. використовують кінетичні рівня­н­ня типу Больцмана. Такі рівня­н­ня, по суті, описують поводже­н­ня цих частинок навколо точки в елементі малого обʼєму, причому швидкості частинок лежать у невеликому діапазоні від­носно даного значе­н­ня. При такому під­ході враховується взаємодія з усіма іншими групами швидкостей та будь-якими внутрішніми і зовнішніми електричними та магнітними полями. У багатьох випадках рівня­н­ня для опису рідин­ної моделі П. гідродинамічні рівня­н­ня можуть бути отримані з кінетичних рівнянь, бо вони виражають збереже­н­ня маси, імпульсу та енергії на одиницю обʼєму для кожного типу частинок. Основними змін­ними, важливими при досліджен­ні П., є густина частинок, температура, напруженість електричного та магнітного полів і швидкості частинок. У лабораторії та в космосі електро­статичні (заряджені) і магнітні типи сенсорних при­строїв, які називають зондами, допомагають ви­значити величини таких змін­них. За допомогою електро­статичного зонда можна ви­значити густину іонів, температуру електронів та іонів і різницю електро­статичних потенціалів. Невеликі котушки та інші типи магнітних зондів до­зволяють зʼясувати значе­н­ня магнітного поля, а з електромагнітних рівнянь Максвела можна зна­йти густину струму, густину заряду та індуковану складову електричного поля. Для утрима­н­ня П. високої щільності з високою температурою використовують магнітні поля, оскільки такі поля чинять на П. тиск і утримують її. Рівноважної конфігурації досягають лише тоді, коли в усіх точках П. ці тиск і напруга точно врівноважують тиск від руху частинок. Утрима­н­ня П. магнітним полем характеризується часом утрима­н­ня (τc), або середнім часом, протягом якого заряджена частинка дифундує з П.; цей час різний для кожного типу конфігурації магнітної системи і П. Загалом існує два основні методи ефективного утрима­н­ня П. Це викори­ста­н­ня тороїдальних плазмових систем і магнітних дзеркал. Ці методи важливі при реалізації зав­дань керованого термо­ядерного синтезу.

Завантажити статтю